随着无线网络的快速发展,越来越多的智能终端加入到无线网络中。智能终端将获取的信息通过无线网络传递到核心网络中进行相应的处理。而作为信息传输的媒介,无线网络发挥着至关重要的作用。在物理空间中,各种不同类型的无线网络并存。例如,在无线局域网中,基于Zigbee技术的无线网络用于短距离的低功耗传感器网络。而以4G、5G、Lo Ra技术为代表的无线广域网支持广域覆盖范围内的数据传输。然而,伴随着越来越多智能终端设备的加入,无线网络中的数据流量呈现出爆发式的增长。数据量的急剧增长给当前的无线网络带来了巨大的挑战,例如易于发生数据包冲突和延长传输时间。特别是在广域网场景下,由于覆盖范围广和信道状态探测难度大,发生数据包冲突的概率将会急剧上升。例如,以基于Lo Ra通信的广域网为例,一个Lo Ra网关连接着多个Lo Ra节点,Lo Ra节点将感知信息（例如湿度和温度等）传递到Lo Ra网关,并且Lo Ra网关进一步将这些信息传递给核心网络进行相应的处理。这种星型网络结构易于导致数据包冲突。与此同时,在广域网场景下,由于覆盖范围广,信息传输时间将会延长,这对于对时延敏感的应用程序而言是不可接受的。例如,以基于4G/5G通信的移动广域网场景为例,行驶中的汽车与附近的4G/5G基站进行数据传输,以满足车载应用的需求。为了保持连接的无线链路,移动车辆需要在基站之间进行不断的切换。然而,当前基于Wi Fi和4G网络的切换延迟在百毫秒级。随着车载应用对于时间延迟有着越来越严格的要求,如何降低传输时间延迟也是无线广域网研究的重点之一。在广域网场景下,另一个典型的问题是由于基站端和终端节点的发射功率不对等,移动节点的活动范围受限。例如,以群体机器人为背景,作为终端的群体机器人在户外巡逻或者执行任务时,由于单个机器人的发射功率较小,群体机器人的覆盖范围有限,从而限制了群体机器人的活动范围。当前解决方案通过部署密集的基站从而扩展移动节点的活动范围,这种简单机制会增加无线网络的部署和维护成本。因此,如何增强上行链路的覆盖范围是提升无线广域网性能的关键一环。针对于上述广域网场景下的不同挑战,本文主要围绕基于Lo Ra通信的数据包冲突问题、5G毫米波场景下的基站切换问题、以及基于群体机器人的上行链路覆盖增强问题展开研究,主要包括以下三方面的内容:一、最近,作为广域物联网通信技术之一的Lo Ra技术得到了广泛关注。基于特殊的物理层调制技术,Lo Ra通信可以实现低功耗和覆盖范围广的目标。在Lo Ra网络中,一个Lo Ra网关或者基站通常会连接多个Lo Ra节点。并且,为了降低Lo Ra协议的复杂度,Lo Ra通信在MAC层采用Aloha协议。因此,在Lo Ra接收端,来自不同节点的数据包可能会发生冲突,从而导致数据包无法解析和降低整体网络效率。为了解决此问题,我们提出了一个冲突数据包解析协议。在此协议中,我们首先基于Lo Ra数据包的特殊结构设计了一个前导码检测机制。基于这种检测机制,我们可以得到冲突数据包之间的Chirp级时间偏移。与此同时,我们也可以得到此时间偏移内无冲突的基带采样点。结合这些采样点和Chirp扩频调制特征,我们可以推导得到此Chirp中冲突的采样点部分。接下来,将叠加的采样点减去推导得到的采样点,我们可以得到另外一个数据包中对应的冲突采样点部分。类似地,我们可以推导得到此数据包同一个Chirp内另外一部分冲突的采样点,从而获得一个完整的冲突Chirp。以此类推,我们可以解析两个冲突的Lo Ra数据包。基于两个冲突数据包解析,我们也将此协议应用到三个及以上的冲突数据包解析场景。最后,我们提出了一个降低噪声和频率偏移影响的方案从而进一步提高此协议的性能。实验结果表明,基于此协议的Lo Ra通信能够解析三个冲突的Lo Ra数据包。二、随着5G时代的到来,5G毫米波网络成为了近期研究的热点,并且逐渐被部署。在基于5G毫米波网络的移动场景下,车辆会在毫米波基站之间进行不断的切换。相比较于传统的无线网络,密集的毫米波基站和高速的车辆移动速度会带来更加频繁的切换。在通常情况下,基站切换所带来的时间延迟在百毫秒级别,这对于时延敏感的车载应用而言是不可接受的（例如导航系统和防碰撞系统）。为了减少车辆在毫米波基站之间的切换时延,我们基于大规模毫米波天线阵列设计了一个无缝的切换协议。这是因为毫米波波长短,大规模毫米波天线阵列可以被集成在一个很小的物理空间内。首先,我们基于大规模毫米波天线设计了一个天线阵列划分策略,主要将毫米波天线阵列划分为两部分,其中一部分天线用于与当前连接基站进行数据传输,另外一部分用于与附近基站进行预连接。一旦发生切换时,基站只需要激活其中一条预连接链路即可完成切换,从而极大地缩短了切换时延。与此同时,我们也提出了一个与附近基站进行预连接的策略,以便减少切换次数。由于毫米波链路易于被障碍物所阻挡,我们也考虑了此种场景下的切换问题。当毫米波链路被阻挡时,基站端的接收信号强度会急剧下降。当信号强度低于某一个阈值时,基站会通知激活一条预连接链路,从而完成链路切换和避开障碍物的阻挡。实验结果表明,相比较于基于Wi Fi和LTE网络切换协议所带来的百毫秒级时延,基于此协议的切换时延在微妙级。三、随着机器人技术的快速发展,群体机器人逐渐取代人力资源出现在人们的日常生产生活中。相比较于单个机器人,群体机器人展示出了更好的协作性和高效性。然而,在群体机器人和基站通信的场景下,由于单个机器人的功率限制,其上行链路覆盖范围有限,从而限制了群体机器人的活动范围。为了增强上行链路覆盖范围,我们提出了一个基于群体机器人的协作通信协议。其核心思想是通过实现群体机器人之间的时间同步,执行分布式波束成形,从而到达增强群体机器人覆盖范围的目的。同时,我们也设计了针对于异常情况下实现分布式波束成形的相应策略,以增强此协议的鲁棒性。实验表明,此协议在带来少量时间开销的前提下,极大地增强了群体机器人的覆盖范围。例如,此协议能够将群体机器人的覆盖范围从不到200米提升到约1000米。